3D列印用金屬材料匯總

Quoted from /3D虎

Editor /Ella

近幾年隨著3D列印技術的快速發展，它在航空航天、汽車、生物醫藥和建築領域的應用範圍逐步拓寬，其方便快捷、材料利用率高等優勢不斷顯現。

目前，金屬3D列印技術主要有選擇性激光燒結（SLS）、電子束熔融（EBM）、選擇性激光熔化（SLM）和激光近凈成形（LENS），其中選擇性激光熔化為研究的熱點，其使用高能激光源，可以熔融多種金屬粉末。國內外金屬3D印表機採用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不鏽鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。常用的粉體為鈦粉、鋁合金粉和不鏽鋼粉。

工具鋼和馬氏體剛

工具鋼的適用性來源於其優異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱「馬氏體時效」鋼，在時效過程中的高強度、韌性和尺寸穩定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同，因為他們是不含碳的，屬於金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由於高硬度和耐磨性，馬氏體300才適用於許多模具的應用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、衝壓和擠壓等，同時，其也廣泛應用於航空航天、高強度機身部件和賽車零部件。

不鏽鋼

不鏽鋼具有耐化學腐蝕、耐高溫和力學性能良好等特性，由於其粉末成型性好、製備工藝簡單且成本低廉，是最早應用於3D金屬列印的材料。

目前，應用於金屬3D列印的不鏽鋼主要有三種：奧氏體不鏽鋼316L、馬氏體不鏽鋼15-5PH、馬氏體不鏽鋼17-4PH。

奧氏體不鏽鋼316L，具有高強度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度範圍下降到低溫，可應用於航空航天、石化等多種工程應用，也可以用於食品加工和醫療等領域。

馬氏體不鏽鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉澱硬化）不鏽鋼，具有很高的強度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應用於航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。

馬氏體不鏽鋼17-4PH，在高達315℃下仍具有高強度高韌性，而且耐腐蝕性超強，隨著激光加工狀態可以帶來極佳的延展性。目前華中科技大學、南京航空航天大學、中北大學等院校在金屬3D列印方面研究比較深入；現在的研究主要集中在降低孔隙率、增加強度以及對熔化過程的金屬粉末球化機制等方面。

鈦合金

鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度以及生物相容性等優點，在航空航天、化工、核工業、運動器材及醫療器械等領域得到了廣泛的應用。

傳統鍛造和鑄造技術製備的鈦合金件已被廣泛地應用在高新技術領域，如美國F14、F15、F117、B2和F22軍機的用鈦比例分別為：24%、27%、25%、26%和42%，一架波音747飛機用鈦量達到42.7t。但是傳統鍛造和鑄造方法生產大型鈦合金零件，由於產品成本高、工藝複雜、材料利用率低以及後續加工困難等不利因素，阻礙了其更為廣泛的應用。而金屬3D列印技術可以從根本上解決這些問題，因此該技術近年來成為一種直接製造鈦合金零件的新型技術。

高溫合金

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力環境下長期工作的一類金屬材料，其具有較高的高溫強度、良好的抗熱腐蝕性和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金3類。高溫合金主要用於高性能發動機，在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料的使用量占發動機總質量的40%～60%。現代高性能航空發動機的發展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高。傳統的鑄錠冶金工藝冷卻速度慢，鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴重，熱加工性能差，組織不均勻，性能不穩定。而3D列印技術在高溫合金成形中成為解決技術瓶頸的新方法。美國航空航天局聲稱，在2014年8月22日進行的高溫點火試驗中，通過3D列印技術製造的火箭發動機噴嘴產生了創紀錄的9t推力。

鎂合金

鎂合金作為最輕的結構合金，由於其特殊的高強度和阻尼性能，在諸多應用領域鎂合金具有替代鋼和鋁合金的可能。例如鎂合金在汽車以及航空器組件方面的輕量化應用，可降低燃料使用量和廢氣排放。鎂合金具有原位降解性並且其楊氏模量低，強度接近人骨，優異的生物相容性，在外科植入方面比傳統合金更有應用前景。

結語

3D列印技術自20世紀90年代出現以來，從一開始高分子材料的列印逐漸聚焦到金屬粉末的列印，一大批新技術、新設備和新材料被開發應用。金屬粉末的3D列印技術目前已取得了一定成果，但材料瓶頸勢必影響3D列印技術的推廣，3D列印技術對材料提出了更高的要求。現在適用於工業用3D列印的金屬材料種類繁多，但是只有專用的粉末材料才能滿足工業生產要求。因此，金屬粉末的3D列印技術的發展依舊任重而道遠。

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